动态聚煤模式——兼论成煤植物在聚煤环境中的主导作用

第21卷增刊中国煤炭地质Vo.21COAL GEOLOGY OF CHINA文章编号:1674-1803(2009)S1-0006-03动态聚煤模式——兼论成煤植物在聚煤环境中的主导作用石彦强,邢立杰(中煤地质工程总公司北京大地特勘分公司,北京100073)摘要:把泥炭沼泽附属在其它碎屑环境上的聚煤模式存在很大的局限性,通过考查现代植被、泥炭沼泽发现植物不仅对基底碎屑具有很强的限制作用,而且对环境水文、气候也具有很好的调节作用,推断地质历史中的成煤植物在聚煤环境中具有主导作用,从而提出了游移于各种沉积环境之上的动态聚煤模式。关键词:动态聚煤模式;成煤植物;聚煤环境;主导作用中图分类号:P618.110.1文献标识码:ADynamic Coal-accumulation ModelOn Leading Role of Coal-forming Plants in Coal-accumulating EnvironmentShi Yanqiang, Xing LijieBeijing Dadi Specific Exploration Branch, China Coal Geological Engineering Corporation, Beijing 100073)Abstract: A coal-accumulation model binding the peat bog into the"other clastic environment"has many limitations in fact. Throughmodem vegetation and peat bog investigations have found that plants not only have strong limitations to substrate debris, but also verygood regulatory role on environmental hydrology and climate. It is concluded that coal-forming plants in geologic history have leadingrole in coal-accumulating environment, it follows that the dynamic coal-accumulation model has put forward and it enables peat bogscan vagile over a variety of depositional environments.Keywords: dynamic coal-accumulation model; coal-forming plant; coal-accumulation environment:; leading role1问题的提出③在海陆交互相煤系中,煤层直接顶板大多为早些时候的煤地质工作者为了探寻煤层的成海相石灰岩。石灰岩中不仅含有丰富的动物化石因,根据煤聚集前的形成环境,参照现代泥炭的成而且还含有较多炭质。这些石灰岩和煤层虽然厚度因,采用将今论古的原理将聚煤环境作为被动因子不是很大但横向稳定性却非常好,似乎二者具有互附属在基底碎屑之上提出了各种各样的聚煤模式利互惠共生关系。在以往的研究中常被解释为快速如三角洲成煤、潮坪成煤、河流湖泊成煤,以至冲积海侵的结果,这样就成了快速海进、慢慢海退的“抽扇缘成煤、碳酸盐台地成煤,似乎任何一种环境都存风”式旋回运动,令人难以置信。在聚煤的可能,随着研究的深入和区域对比发现以④在含煤旋回中,煤层位于旋回中水深变浅层下问题序的顶部和下一次水深变浅层序的底部,似乎缺少①煤层特别是具有工业价值的煤层多可以大范另一半水深增加的旋回层序。围追索,有的甚至可以遍布整个聚煤盆地。这远远⑤在层序地层中,煤层及根土岩常被解释为低超出了任何一种碎屑沉积环境的规模,如山西乃至水位期的接近暴露标志可是在其上游却很少发现整个华北地区的太原组及山西组之煤层等。低水位期特征的大面积风化剥蚀、深切谷、低位扇等②同一煤层的形成基底,由反映不同水深及水痕迹。动力条件的三角洲平原、三角洲前缘、前三角洲泻湖⑥人们早就注意到了活跃期的碎屑沉积环境中湾甚至碳酸盐台地等多种环境有规律地组合而的泥炭沼泽,不可能形成具有工业意义的煤层(如P. Me中国煤化工CNMHG代 okefenokee“障作者简介:石强(96-),男山西太谷人,98年毕业于北京煤壁间海岸平原沼泽”发现泥炭形成于淡水凸起沼泽媒田地质专业,地质工磁师,长期从事媒炭地质与查。中;泥炭层最底部泥炭的年齡比其直接下伏的潟潮贵任编辑:唐锦秀增刊1石彦强,等:动态聚煤模式——兼论成煤植物在聚煤环境中的主导作用盐沼沉积物和其外侧紧邻的障壁岛砂脊年轻数万植物和微生物作用下形成的;张均(198)研究认为,当最早的绿色植物于35亿年前出现时地壳才有碳⑧郭敏泰等(1992)在研究山西晚古生代沉积环酸盐岩沉淀,说明植物对碳酸盐岩沉积具有关键性境与聚煤规律时,提出了盆控型泥炭沼泽聚煤环境,的促进作用。认为山西的下组煤(太原西山8、9号煤,晋东南1522植物对环境水文具有很好的调节作用号煤)、上组煤(太原西山2、3、4号煤,晋东南3号茂密的植被丛冠、网状根系和纵横交错的植物煤)形成于盆控型泥炭沼泽,其余形成于附属型泥炭残骸相互交织在一起,不仅保护了基底碎屑免受侵沼泽;蚀,而且大大阻滞了大气降水的排泄速度,使河水细⑨全球对比发现地质历史中的聚煤作用主要分流化缓流化,免除了洪水泛滥灾害的发生。如近些布在几个大的聚煤期,表现为明显的广泛性、周期年来长江中下游的洪涝灾害与上游植被的破坏有直性、阶段性。接关系。植物形成的泥炭沼泽具有很强的持水能力基于以上认识,我们认为在聚煤过程中似乎还达300%400%,从而对河流起着很好调节作用,使有一种无形的力量在起作用,那就是成煤植物在聚河流汛期洪峰减缓、延后。煤过程中的主导作用。泥炭沼泽深部泥炭化作用形成大量胶质体,可2成煤植物的主导作用视为很好的隔水层,阻止了沼泽水的下渗,减缓了其横向流速,使沼泽水体能长期保持较高的水位;同煤的形成是古植物、古地理、古构造和古气候联样,植物也可以通过蒸腾作用把多余的水分很快蒸合作用的结果成煤植物是内因,是成煤泥炭沼泽发发掉。展变化的主要原因,这种决定因素不仅表现在自身23规模化发育的植被系统对区域气候具有调节作的发育过程,而且还表现在对各种外界影响因素的用调节作用。通过考査现代植被、泥炭沼泽发现以下规森林、湿地、泥炭沼泽形成的植被系统对暖湿气流具有一定的吸附作用,调节气候,增加降雨量,减2.1植物对基底碎屑具有很强的限制作用少暴雨灾害的发生。近些年来,人们都非常关心植被现代研究表明植被对大气降水和地表径流侵蚀破坏对气候的影响, Henderson- Sellers等对南美巴能量具有很大的减弱或消除作用。它可以改变植株西亚马孙热带雨林变成草原的数值模拟表明,地面底部的土壤性质、改善其结构、进而降低土壤可蚀粗糙度、土壤含水量以及地面反照率的改变使降水性,增加地表水的入渗能力,从而减轻土壤侵蚀程减少0.5-07mmld,蒸发和天空云量也明显减少造度。成地面热量通量和动量通量的异常,直接引起了气同样植被对河流冲刷和海浪冲蚀也具有有效的候的变化; Dickinson等对热带森林砍伐研究表明,阻碍作用如海南岛红树林发达的根系、茂密的丛冠热带雨林被砍伐后对气候将造成极为严重的影响,等对海浪具有压服作用缓解了海水对岸堤的冲蚀;地面空气温度和土壤温度的异常会达到4℃-5℃,密密麻麻的网状根系限制了河流对岸坡的冲刷能降水量的异常达到05-1.0mm/d,这不只发生在森林力减小了河道决口侧向迁移的可能使河流及其砍伐区,在离森林砍伐区比较远的中高纬度地区也沉积物只能在窄的河道内垂向发育有明显的异常;近几十年来华北地区的干旱和扬尘、水生植物和微生物及其营养的海洋动物生成的沙尘暴天气与早些时候西北、东北地区过度放牧烧碳酸盐沉淀快速形成钙质硬底",可保护基底免受荒垦植导致植被破坏有直接关系海浪海流的长期侵蚀。首先表现为水生植物和微生近来关注的北极冰盖消融和全球海平面上升,物光合利用水体中HCO3和CO2中的C,提高水溶使我们越来越认识到二氧化碳温室效应对全球气候液中的pH值而导致碳酸盐沉淀;其次为生物通过影响的重要性。二氧化碳等温室气体浓度上升,温室自身的生理生态过程引起的碳酸盐岩沉积如颗石效应增强,大气温度升高引起冰川消融、全球海平藻在藻细胞内的液泡中形成碳酸盐颗石粒;再则就面上化磁竺沮气浓度降低,温室效是生物钙化作用,在生物细胞内生物通过 Ca+ATP应减中国煤化工高山上的温度降至酶促使NaC交换和H-Ca交换析出钙形成生冰点CNMHG全球海平面下降物钙质骨架。( Kirschvink,1992; Hoffman,1998)我们知道,引起另有研究表明即使溶洞中的石钟乳也是在绿色氧化碳减少的原因主要有两个:一个是植物的光中国煤炭地质第21卷作用将二氧化碳转化为有机物(或矿物有机物)并放临,水体向泥炭沼泽侵人。由于此时的海岸带聚集生出氧气;另一个原因是二氧化碳形成碳酸盐岩而沉长着大量藻类等水生植物、漂浮着大量植物残骸,对淀,植物光合作用,吸收大量的二氧化碳,使pH升海浪和潮汐流具有压制作用,再加上泥炭表层(类似高,造成大量二氧化碳以碳酸盐岩的形式沉淀。于现代海岸红树林)植被的网状结构对泥炭本身具廖永岩(2007)研究认为,植物广泛发育和演化有很好的保护作用,同时因为植被限制了物源碎屑引起了冰川周期性形成和消融;周期性的冰川形成注入,使很浅的水体也非常清澈,沼泽水体营养丰和消融,造成固体地球周期性的膨胀和收缩;固体地富,有利于海洋生物快速大量繁殖,形成碳酸盐岩沉球的膨胀和收缩,导致地球周期性的构造运动,以及积在被淹没的泥炭层表面能快速形成钙质硬底",地磁场形成和反转、生物大灭绝、矿床形成、火山喷进一步发育形成横向稳定的石灰岩顶板,保护下覆发和地震等地质现象周期性地发生。这充分证明了泥炭层免受后来海水及突变事件的长期侵蚀;同样植物在地质历史中的主导作用。泥炭表层稠密的植被丛冠阻止了海水的进一步深以上事实均表明,植物及其形成的植被、泥炭沼入,上升的海水对沼泽淡水具有顶托作用,使泥炭沼泽无论对自身发育还是对周围环境都具有一定的主泽能够持续向上发育。随着海水(或湖水)进一步侵导作用地质历史上曾发生过多次聚煤作用。当时的人,泥炭沼泽逐渐向上游迁移,占据了河流冲积平固碳量比现在高的多的多,可见当时的植物要比现原、间湖以至冲积扇前缘的广大区域生成泥炭堆积。在繁盛很多,由此可见地质历史中的成煤植物在聚沼泽河流和潮汐海流携带的植物残体、泥炭碎煤环境中的主导作用更强,它能够引导周围环境因屑,与偶然性风暴潮灾变事件冲蚀、撕裂的滨海植被素向有利于自身发育的方向发展,形成规模宏大的及泥炭层,甚至尚未固结好的石灰岩硬底,运移到盆动态聚煤模式。地更远的地方沉积下来(包括分选性沉降沉积)形成3动态聚煤模式评述异地煤,部分沉积于泥炭沼泽附近形成微异地煤。当进一步海退事件来临,水位下降,上游部分植辩证唯物主义认为事物是在发展变化的,当发被泥炭沼泽环境遭到破坏,物源碎屑再次活跃冲刷展到一定阶段就会发生质的飞跃。并携带植物碎屑及盆缘泥炭向盆地内部输入,由于在构造稳定、适宜的聚煤气候条件下,成煤植物水动力强度有限及盆地内泥炭沼泽植被的限制作首先在平坦的海岸(或湖岸)三角洲平原上、潮汐泥用,碎屑输入不远即被中止,由下一期水进泥炭沼泽坪上等接近水位的有利地段开始发育形成泥炭沼所覆盖,形成向陆分岔变薄的煤层组合,如晋东南3泽,然后逐渐扩展横向连片、纵向延伸进一步控制基号煤层向太原西山分叉为2、3、4号煤到大同以北底碎屑发育调节改善水文及气候条件使降雨量更(盆地边缘方向)逐渐变薄尖灭,其间碎屑沉积物中加充沛提高了地下水位泥炭沼泽得以在良性循环含丰富的植物化石碎片、炭屑及煤纹。在靠近陆源中可持续发展以至占据整个盆地冲积平原植被向区显正粒序,表现为河流体系沉积向盆地方向转为物源区漫延进一步限制碎屑的输入量,使盆地水体逆粒序全粒序,表现为三角洲体系沉积。只有大的细流化、缓流化、清澈化,碎屑河流只能在很窄的条海(水)退事件才能将碎屑输入到盆地内更远的地带内垂向发育,形成滋养盆地泥炭沼泽发育的重要方,以致中止整个动态泥炭沼泽的发育。水源。根据程保洲等(1992)研究,这种河流次级环境如此,在植物的限制作用下,成煤泥炭沼泽随着分化很差河道的侧向迁移能力很低,泛滥作用也比海水(或湖水)进退而往返运移,形成游移于各种沉较微弱,河道砂体为夹在煤层中的极少分支的窄厚积环境之上的动态聚煤模式。线状砂体,宽度一般在1~4km,长达16-30km。此时的泥炭沼泽已基本脱离了物源碎屑侵入的影响,可4新认识形成灰分较低具有工业价值的煤层。动态聚煤模式的提出为我们在煤地质学研究中由于物源碎屑得到有效控制,海岸碎屑输入贫打开了一个新的窗口,提出了一些新的见解和认识乏,海流及潮汐能够将有限碎屑进行充分运移,形成对以往研究中出现的各种问题能够给予更加合理的广阔平坦的海岸平原。随着海退(或湖退)作用发生解释iYH中国煤化工基底环境废弃,植被泥炭沼泽逐渐由三角洲平原向古构造、古地理三角洲前缘前三角洲泻湖海湾推进进一步占据废上,由CNMH态发育而成;弃的碳酸盐台地之上发育。下一次海侵(或湖泛)来(下转第39页)增刊1刘永彬:大口径瓦斯排放井套管抗挤强度计算分析大口径套管延伸应用,为实际施工提供了一定依据。参考文献通过准南矿业集团顾桥矿、潘三矿、邢台矿业集团东李子丰油气井杆管柱力学及应用北京:石油工业出版社庞矿等瓦斯排放井下管作业实际运用,验证了大口2008径套管抗挤强度计算方法的可行性,这对今后施工凹2李志明殷有泉油水井套管外挤力计算及其力学基础M北京:大口径瓦斯井下管作业有一定指导性。随着管材加石油工业出版社,2006工精度的提高和瓦斯排放井下管作业经验的不断积因申,李东风杨鹏,等套管执强度统计分析研究西安石累,大口径套管抗挤强度计算方法将得到进一步的{杜晓瑞,王桂文钻井工具手删北京:石油工业出版社,20完善和修正。(上接第8页)②地质历史聚煤期中的植物及其组成的植被系太原组K2石灰岩等。这一发现使我们对海陆交互相统,对环境的主控能力要比现在强很多,超越了我们旋回有了一个更加客观的成因解释。的想像极限,因此用“将今论古”的方法可能不太适⑦煤层主要形成于淡水泥炭沼泽,煤中的黄铁矿硫形成于前期泥炭沼泽发育的海岸环境和后来海③成煤泥炭沼泽可能局部首先于碎屑环境之上侵下渗。如沁水煤田西缘沁源、安泽附近太原组9+的有利地段开始发育,而具有工业价值的煤层是泥10号煤为K2石灰岩直接下覆,煤层全硫含量为炭沼泽进一步发育延展、限制物源碎屑输人,自身发1.65%-7.90%,平均397%;而其下部11号煤层全育而成的。具有可观工业价值的煤层,多形成于动态硫含量却很低。其底板为泻湖相泥岩,顶板为三角洲聚煤模式中的有利地段。前缘相砂质泥岩、砂岩,煤层厚0-4.36m,在唐城附④聚煤作用的强度主要取决于动态泥炭沼泽所近有一同生河流冲刷带,在河流冲刷变薄带附近,由在盆地部位和海水(湖水)进退强度。一般形成于碎于受到海水倒灌影响煤中硫含量明显增高,最高达屑潮坪之上,终止于三角洲平原之下的动态泥炭沼905%,远离河道煤层厚度逐渐增加,硫分逐渐降泽,是受海(湖)水和陆源碎屑侵入影响最少的地段,低,距河道3-~5km降到1%以下,最低为046%。煤层发育最好、遭受破坏最小,是寻找区域富煤带的总之,这种大规模泥炭沼泽的发育,是某些地质有利部位。如晋东南3号煤层厚5-8m,向河南、江苏历史时期的自然现象,动态聚煤模式的提出可以帮一带(盆地中心方向)变为1~2m的二;煤;向太原西助我们正确认识成煤环境。山分又为2m的2、34号煤,到大同以北(盆地边缘参考文献:方向)逐渐变薄尖灭⑤煤层厚度的变化主要是自身发育的结果局1柴泥炭地学北京:地质出版社190部遭受同生碎屑河流冲刷分叉变薄;有时与基底环术出版社,922]程保洲山西晚古生代沉积环境与聚煤规律M山西:山西科学技境关系不是太大,主要是继承其遗留的地形(地貌)(3]杨起煤地质学进展M北京:科学出版杜,1987垂向发育;后期环境的影响可能会更大一些,主要表4曹宗異吴相钰植物生理学M北京:高等教育出版社1979⑥由于限制了物源碎屑的输入,海进过程主要张均生物进化M北京:北京大学出版杜聊现在对成煤泥炭层的下切冲刷作用。5]廖永岩地球科学原理M北京:海洋出版社,2表现为生物碎屑灰岩的垂向加积,形成海陆交互相何学兆1982-199年我国北方农牧交错带植被NDⅥ的变化特征及其与气候因素的关系D北京:北京师范大学资源学院2004煤系中煤层(或泥炭层)直接顶板石灰岩组合层序。〖8曹建华,袁道先,潘根兴林玉石,岩溶动力系统中的生物作用机其范围可侵入盆地内部甚至接近盆地边缘,如山西理初探U地学前缘2001,1(上接第18页)3结论参考文献褐煤加入添加剂后,经过高压成型炭化可制取]衰三畏中国媒质论坛围]北京:媒数工业出版社,199型焦,另外褐煤腊的萃取、制煤酸等方法也都已成2武型,有些产品已广泛用于生产实践效果良好。总之,[张H中国煤化工北京:地质出版社CNMHG特征与勘查开发利用褐煤不仅适用于动力煤经过成熟的加工工艺,褐煤前景分析门中国煤田地质200719(00的利用前景将会更广阔